基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法

摘要

本发明公开了一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法，属于海洋工程技术领域，变形潜水器包括主舱、浮力舱、电池舱、变形机构、无轴矢量推进器。本发明通过变形机构将浮力舱和电池舱与主舱连接，通过变形潜水器浮心和重心的位置变换，可实现潜水器的垂向运动形态和水平运动形态，配合浮力舱的浮力调整功能，可实现潜水器在垂向运动形态时具备上浮运动模式和下潜运动模式，通过变形机构调整浮力舱和电池舱分别处于主舱的正后方和正前方，可减少潜水器运动时的水阻，通过控制浮力舱中浮力的大小，可实现潜水器水中悬浮巡航和海底着陆功能，配合无轴矢量推进器的小幅度推动，可实现变形潜水器的高效巡航。

权利要求

1.基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：包括主舱、浮力舱、电池舱、变形机构和无轴矢量推进器；

其中，主舱，包括控制机构；被配置为用于实现驱动作用；

控制机构和浮力舱中的从控制器、电池舱中的锂电池以及变形机构中的左变形旋转机构和右变形旋转机构通过线路连接；

浮力舱，共两套，分为左右两个浮力舱，机械机构完全一致，包括前滚动膜片、后滚动膜片、浮力舱舱体、前浮力驱动机构、后浮力驱动机构和从控制器；

前滚动膜片和浮力舱舱体的前端内壁连接并固定，后滚动膜片和浮力舱舱体的后端内壁连接并固定；

前浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的前端，被配置为用于对前滚动膜片进行推拉；

后浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的后端，被配置为用于对后滚动膜片进行推拉；

从控制器，是浮力舱的控制核心和通讯枢纽，被配置为用于控制和驱动前浮力驱动机构和后浮力驱动机构从而控制前滚动膜片和后滚动膜片的位置，从而实现对变形潜水器浮力的调整；接收来自主舱中控制机构的控制指令，并向其发送包括自身指令执行结果或自身工作状态在内的信息；

电池舱，包括两套对称的左电池舱和右电池舱，被配置为用于为主舱、浮力舱、变形机构和无轴矢量推进器提供电能；

变形机构，包括左变形机构、右变形机构、左固定支臂、右固定支臂、左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；

左变形机构和右变形机构，被配置为用于实现浮力舱和电池舱的位置变换；

左固定支臂和右固定支臂，对称安装设置在主舱的两侧，与主舱平行，呈水平固定横臂状，被配置为用于连接主舱体与左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；同时也作为无轴矢量推进器的支撑和固定载体；

左旋转支臂和右旋转支臂，对称安装在主舱体的两侧，被配置为用于配合左变形旋转机构和右变形旋转机构实现相对左固定支臂和右固定支臂的转动，从而实现浮力舱和电池舱的位置变换；

左变形旋转机构包括第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三左变形旋转机构；

右变形旋转机构包括第一右变形旋转机构、第二右变形旋转机构和第三右变形旋转机构；

第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三左变形旋转机构与第一右变形旋转机构、第二右变形旋转机构和第三右变形旋转机构一一对称；

第一左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和浮力舱中的左侧的浮力舱舱体之间，被配置为用于实现左侧的浮力舱舱体与左旋转支臂之间的相对角度转动；

第一右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和浮力舱中的右侧的浮力舱舱体之间，被配置为用于实现右侧的浮力舱舱体与右旋转支臂之间的相对角度转动；

第二左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和左固定支臂之间，被配置为用于实现左旋转支臂与左固定支臂之间的相对角度转动；

第二右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和右固定支臂之间，被配置为用于实现右旋转支臂与右固定支臂之间的相对角度转动；

第三左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和电池舱中左侧的电池舱舱体之间，被配置为用于实现左侧的浮力舱舱体与左侧的电池舱舱体之间的相对角度转动；

第三右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和电池舱中右侧的电池舱舱体之间，被配置为用于实现右侧的浮力舱舱体与右侧的电池舱舱体之间的相对角度转动；

无轴矢量推进器，包括无轴推进器和矢量角度驱动机构；

无轴矢量推进器，共两套，分别安装固定在变形机构中的左固定支臂和右固定支臂上，被配置为用于通过矢量角度驱动机构控制无轴推进器的工作角度，通过控制主舱中的控制机构驱动无轴推进器运转，实现变形潜水器的全方位运动。

2.根据权利要求1所述的基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：前滚动膜片和后滚动膜片均为半球状结构。

3.根据权利要求1所述的基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：前滚动膜片和浮力舱舱体的前端内壁连接处以及后滚动膜片和浮力舱舱体的后端内壁连接处均设置有密封圈。

4.根据权利要求1所述的基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：主舱，还包括主舱体、前导流罩、后导流罩、通讯天线和摄像机构；

主舱体为圆柱形，控制机构和摄像机构均设置在主舱体内；主舱体的前、后方的端盖装置上设置有横向和径向密封圈；

前导流罩为半纺锤形，安装固定在主舱体的前端；后导流罩为半纺锤形，安装固定在主舱体的后端，后导流罩的中间圆周部分均匀的设置有4块导流板；通讯天线为棒状，安装在后导流罩的中后方，用于变形潜水器出水后与岸站的无线通讯；摄像机构，用于在水下对环境或探测的物体进行拍摄或录像。

5.根据权利要求1所述的基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：电池舱，包括电池舱体、锂电池、导流罩和雪橇；锂电池放置在电池舱体内，导流罩为半圆球形状，用于减小其运动水阻；雪橇共两套，为撬板结构，分别安装固定在左电池舱和右电池舱的下方，用于当变形潜水器坐底观测或者坐底并前进观测时，通过增大与海底的接触面积而避免陷入淤泥。

6.基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器的工作方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器，变形潜水器的工作状态有两种：垂向运动形态和水平运动形态，这两种工作工作状态均是通过控制浮力舱中的滚动膜片体积的大小进而改变浮力舱的浮力，以及配合变形机构实现浮力舱和电池舱位置的变换从而改变浮心和重心的位置而实现的；

其中，垂向运动形态，包括上浮运动和下潜运动；其状态是由浮力舱中的滚动膜片体积大小决定的，若变形潜水器的整体浮力大于重力，则变形潜水器上浮运动；若整体浮力小于重力，则变形潜水器下潜运动；

水平运动形态，包括水中巡航状态和海底着陆模式；浮力舱的浮力调整的最终效果若是浮力与重力基本持平，此时可通过无轴矢量推进器对变形潜水器进行姿态调整实现续航状态；浮力舱的浮力调整的最终效果若是浮力稍小于重力，此时变形潜水器着陆，此时可通过无轴矢量推进器对变形潜水器的姿态或运动状态调整实现观测和作业任务；

其中，垂向运动形态中的上浮运动的工作过程如下：

通过主舱中的控制机构控制前浮力驱动机构使前滚动膜片的体积不变，通过后浮力驱动机构的驱动使后滚动膜片体积增大，变形潜水器的整体浮力大于重力，变形潜水器呈上浮运动模式；

垂向运动形态中的下潜运动的工作过程如下：

通过主舱中的控制机构控制前浮力驱动机构使前滚动膜片的体积不变，通过后浮力驱动机构的驱动使后滚动膜片体积减小，变形潜水器的整体浮力小于重力，变形潜水器呈下潜运动模式；

水平运动形态中的水中巡航状态的工作过程如下：

通过主舱中的控制机构控制前浮力驱动机构和后浮力驱动机构分别对前滚动膜片和后滚动膜片的体积微整定，使得变形潜水器的整体浮力约等于重力，潜水器呈现悬浮状态，即为巡航模式；

水平运动形态中的海底着陆模式的工作过程如下：

通过主舱中的控制机构控制前浮力驱动机构和后浮力驱动机构分别对前滚动膜片和后滚动膜片的体积微整定，使得变形潜水器的整体浮力稍稍小于重力，此时潜水器呈现微下沉状态。

7.根据权利要求6所述的基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器的工作方法，其特征在于：将变形潜水器的浮心调整至其重心的正后方的具体过程为：通过主舱中的控制机构控制左变形机构和右变形机构通过左变形旋转机构、右变形旋转机构带动两侧的左旋转支臂和右旋转支臂旋转至与主舱平行，同时也与两侧的左固定支臂和右固定支臂平行，浮力舱位于主舱的正后方而电池舱位于主舱的正前方，浮心位于主舱的正后方，具体在其正后方的距离与浮力舱产生的浮力大小有关；重心位于主舱的正前方，具体在其正下方的距离与电池舱的重力大小有关；此时变形潜水器的工作状态为上浮或下潜观测状态，通过控制浮力舱中前滚动膜片和后滚动膜片整体的体积大小可对变形潜水器的浮力进行调整，从而改变潜水器的上浮或下潜运动的方向、姿态和速度；

8.根据权利要求6所述的基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器的工作方法，其特征在于：将变形潜水器的浮心调整至其重心的正上方的具体过程为：通过主舱中的控制机构控制左变形机构和右变形机构中的左变形旋转机构和右变形旋转机构带动左旋转支臂和右旋转支臂旋转至与左固定支臂和右固定支臂垂直，同时也与主舱垂直，浮力舱位于主舱的正上方而电池舱位于主舱的正下方，浮心位于主舱的正上方，具体在其正上方的距离与浮力舱产生的浮力大小有关；重心位于主舱的正下方，具体在其正下方的距离与电池舱的重力大小有关；此时变形潜水器的工作状态为悬停或坐底观测状态，通过控制浮力舱中前滚动膜片和后滚动膜片整体的体积大小可对变形潜水器的浮力进行调整，从而改变潜水器的悬停、上浮或下潜运动。

说明书

基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法

技术领域

[0001] 本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法。

背景技术

[0002] 海洋中众多的矿产资源和生物资源，显示出巨大的商业利益和科学价值。近年来，随着我国“海洋强国”战略的推动和实施，海洋勘测无论在范围还是技术能力方面，都有了很大程度的提升。由于海洋环境的复杂性，潜水器是海洋探索中重要的观测和作业设备，可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业。其应用领域很广，主要包括：水产养殖，内陆河流、湖泊的打捞工作，水下下工程的施工，跨海大桥桥墩、海底隧道、内陆河湖桥梁的桥墩年检和海事安全、水下搜寻及海上救援工作以及海洋水文环境的观测等。

[0003] 水下机器人主要分为两大类：一类是有缆水下机器人，称为遥控潜水器(英文名为Remote Operated Vehicle，简称ROV)；另一类是无缆水下机器人，称为自主式水下潜水器(英文名为Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。当然随着技术的进步，还出现了第三类水下潜水器称为水下滑翔机(英文名为Autonomous Underwater Glider，简称AUG)。

[0004] 第一类潜水器ROV，由于潜水器与岸站系统始终连接有线缆为其供电并实现数据回传和指令发送，因此续航能力可以得到保证；但是受电缆长度等影响，其工作深度大部分在百米水深内；并且由于线缆多方面因素的限制，ROV并不适合水下情况复杂的环境。

[0005] 第二类潜水器AUV，是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。无缆水下机器人具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性好等优点。但是AUV体积较小，内部空间有限，其所能携带的电源等能源设备非常有限，并且其动力驱动来源主要靠螺旋桨产生推力，耗能较高。因此能源问题一直是制约水下自治潜水器发展的一个关键问题。

[0006] 第三类潜水器AUG，利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大(可达上千公里)的特点。但是水下滑翔机的航行速度较慢，运动剖面轨迹为锯齿形，航向改变和俯仰姿态改变较为缓慢，不能进行精确作业，只适合长时间、大范围海洋探索的需要。

[0007] 在深海和复杂水域探测主要依靠AUV和AUG设备。但是AUV的续航能力不强，AUG机动性能低。因此，如何使潜水器既具备较强的机动性，又能保证较长的续航能力，是当前和以后水下潜器发展亟待解决的问题。为了使有限的能源发挥最大作用，延长水下机器人的作业时间，提高水下机器人高速航行时的推进效率，是目前的研究热点。但是目前的研究主要局限于以下两点：

[0008] Ⅰ.在当前AUV潜水器基础上，通过算法优化或降低推进器能耗等实现工作周期的延长。

[0009] Ⅱ.在当前AUG的基础上增添推进器设备，实现关键时刻或关键工作点的机动性能。

[0010] 但是上述两个研究方向均不能解决水下潜器存在的最本质问题。

[0011] 例如申请号为201010003887.1的发明专利提出了水下涡旋推进器，其主要特征是动力作用使涡施涡旋推进器内部的“叶片与叶片筒架”发生旋转，对水体持续地进行长距离、长时间地三维涢旋加速、加压，制造集速涡施水流，籍助水体反作用力成为新型、强力旳推进器。“叶片与叶片筒架”中包括叶片，叶片筒架，推进器外筒壳体，主轴，及支承，其中涡旋叶片设置成长条、流线型、连续的螺旋型式。与现有传统的螺旋桨比较，将叶片的旋转作用力(包括单轴七叶高弯角螺旋桨推进器，还有发展改进的空间)改革为完全立体的三维涡旋作用力，极大地提高了水体的反作用力。在机械装置中，有各组的多级变速齿轮箱、伞形齿轮箱、万向节实现安装多组涡旋推进器，使船体提高船速、操纵自如、快速进退、快速转弯，具有高效(动力转化率高)，低噪(声)，(结构)安全、灵活(行驶)。适应于各种不同类型船体(商船、舰船、潜艇、航母以及可遥控水下鱼雷、侦察艇等推进器，……)规模的需求。但是如专利所述，即使是低功耗的推进器，因为AUV工作时必须依靠推进器才能运动，整体运动功耗也比较高。

[0012] 当然，有专家学者从水动力优化方面着手降低水下潜器的运动水阻力。

[0013] 例如专利申请号为201010212492.2的发明专利提出了水下机器人用变形机构，包括呈圆环状的伸缩构件，伸缩构件由多个平行四边形机构连接而成，处于伸缩构件外侧的连动杆与前端圆环之间连接有前支杆组件，处于伸缩构件内侧的连动杆与后端圆环之间连接有后支杆组件，前端圆环与后端圆环相对应设置，前后端圆环之间密封连接有滑动构件，滑动构件呈圆筒导管状，滑动构件穿过伸缩构件中间的中空部分，滑动构件的内腔为一个独立空间且通过前、后端圆环与外部相连通，滑动构件连接有一个驱动构件，驱动构件与中央控制器连接。水下机器人的外部形体可通过该变形机构而在球体与梭体间变换，梭体结构可减小潜水器行进中所受水阻力，极大节省了有限的能源。但是该发明专利只是通过发明水下潜水器的变形结构而减低水下潜水器的运行阻力，并不能减低因使用推进器而使用的能量消耗。

发明内容

[0014] 针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

[0015] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0016] 基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，包括主舱、浮力舱、电池舱、变形机构和无轴矢量推进器；

[0017] 其中，主舱，包括控制机构；被配置为用于实现驱动作用；

[0018] 控制机构和浮力舱中的从控制器、电池舱中的锂电池以及变形机构中的左变形旋转机构和右变形旋转机构通过线路连接；

[0019] 浮力舱，共两套，分为左右两个浮力舱，机械机构完全一致，包括前滚动膜片、后滚动膜片、浮力舱舱体、前浮力驱动机构、后浮力驱动机构和从控制器；

[0020] 前滚动膜片和浮力舱舱体的前端内壁连接并固定，后滚动膜片和浮力舱舱体的后端内壁连接并固定；

[0021] 前浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的前端，被配置为用于对前滚动膜片进行推拉；

[0022] 后浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的后端，被配置为用于对后滚动膜片进行推拉；

[0023] 从控制器，是浮力舱的控制核心和通讯枢纽，被配置为用于控制和驱动前浮力驱动机构和后浮力驱动机构从而控制前滚动膜片和后滚动膜片的位置，从而实现对变形潜水器浮力的调整；接收来自主舱中控制机构的控制指令，并向其发送包括自身指令执行结果或自身工作状态在内的信息；

[0024] 电池舱，包括两套对称的左电池舱和右电池舱，被配置为用于为主舱、浮力舱、变形机构和无轴矢量推进器提供电能；

[0025] 变形机构，包括左变形机构、右变形机构、左固定支臂、右固定支臂、左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；

[0026] 左变形机构和右变形机构，被配置为用于实现浮力舱和电池舱的位置变换；

[0027] 左固定支臂和右固定支臂，对称安装设置在主舱的两侧，与主舱平行，呈水平固定横臂状，被配置为用于连接主舱体与左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；同时也作为无轴矢量推进器的支撑和固定载体；

[0028] 左旋转支臂和右旋转支臂，对称安装在主舱体的两侧，被配置为用于配合左变形旋转机构和右变形旋转机构实现相对左固定支臂和右固定支臂的转动，从而实现浮力舱和电池舱的位置变换；

[0029] 左变形旋转机构包括第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三左变形旋转机构；

[0030] 右变形旋转机构包括第一右变形旋转机构、第二右变形旋转机构和第三右变形旋转机构；

[0031] 第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三左变形旋转机构与第一右变形旋转机构、第二右变形旋转机构和第三右变形旋转机构一一对称；

[0032] 第一左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和浮力舱中的左侧的浮力舱舱体之间，被配置为用于实现左侧的浮力舱舱体与左旋转支臂之间的相对角度转动；

[0033] 第一右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和浮力舱中的右侧的浮力舱舱体之间，被配置为用于实现右侧的浮力舱舱体与右旋转支臂之间的相对角度转动；

[0034] 第二左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和左固定支臂之间，被配置为用于实现左旋转支臂与左固定支臂之间的相对角度转动；

[0035] 第二右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和右固定支臂之间，被配置为用于实现右旋转支臂与右固定支臂之间的相对角度转动；

[0036] 第三左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和电池舱中左侧的电池舱舱体之间，被配置为用于实现左侧的浮力舱舱体与左侧的电池舱舱体之间的相对角度转动；

[0037] 第三右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和电池舱中右侧的电池舱舱体之间，被配置为用于实现右侧的浮力舱舱体与右侧的电池舱舱体之间的相对角度转动；

[0038] 无轴矢量推进器，包括无轴推进器和矢量角度驱动机构；

[0039] 无轴矢量推进器，共两套，分别安装固定在变形机构中的左固定支臂和右固定支臂上，被配置为用于通过矢量角度驱动机构控制无轴推进器的工作角度，通过控制主舱中的控制机构驱动无轴推进器运转，实现变形潜水器的全方位运动。

[0040] 优选地，前滚动膜片和后滚动膜片均为半球状结构。

[0041] 优选地，前滚动膜片和浮力舱舱体的前端内壁连接处以及后滚动膜片和浮力舱舱体的后端内壁连接处均设置有密封圈。

[0042] 优选地，主舱，还包括主舱体、前导流罩、后导流罩、通讯天线和摄像机构；

[0043] 主舱体为圆柱形，控制机构和摄像机构均设置在主舱体内；主舱体的前、后方的端盖装置上设置有横向和径向密封圈；

[0044] 前导流罩为半纺锤形，安装固定在主舱体的前端；后导流罩为半纺锤形，安装固定在主舱体的后端，后导流罩的中间圆周部分均匀的设置有4块导流板；通讯天线为棒状，安装在后导流罩的中后方，用于变形潜水器出水后与岸站的无线通讯；摄像机构，用于在水下对环境或探测的物体进行拍摄或录像。

[0045] 优选地，电池舱，包括电池舱体、锂电池、导流罩和雪橇；锂电池放置在电池舱体内，导流罩为半圆球形状，用于减小其运动水阻；雪橇共两套，为撬板结构，分别安装固定在左电池舱和右电池舱的下方，用于当变形潜水器坐底观测或者坐底并前进观测时，通过增大与海底的接触面积而避免陷入淤泥。

[0046] 此外，本发明还提到一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器的工作方法，该方法采用如上所述的基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器，变形潜水器的工作状态有两种：垂向运动形态和水平运动形态，这两种工作工作状态均是通过控制浮力舱中的滚动膜片体积的大小进而改变浮力舱的浮力，以及配合变形机构实现浮力舱和电池舱位置的变换从而改变浮心和重心的位置而实现的；

[0047] 其中，垂向运动形态，包括上浮运动和下潜运动；其状态是由浮力舱中的滚动膜片体积大小决定的，若变形潜水器的整体浮力大于重力，则变形潜水器上浮运动；若整体浮力小于重力，则变形潜水器下潜运动；

[0048] 水平运动形态，包括水中巡航状态和海底着陆模式；浮力舱的浮力调整的最终效果若是浮力与重力基本持平，此时可通过无轴矢量推进器对变形潜水器进行姿态调整实现续航状态；浮力舱的浮力调整的最终效果若是浮力稍小于重力，此时变形潜水器着陆，此时可通过无轴矢量推进器对变形潜水器的姿态或运动状态调整实现观测和作业任务；

[0049] 其中，垂向运动形态中的上浮运动的工作过程如下：

[0050] 通过主舱中的控制机构控制前浮力驱动机构使前滚动膜片的体积不变，通过后浮力驱动机构的驱动使后滚动膜片体积增大，变形潜水器的整体浮力大于重力，变形潜水器呈上浮运动模式；

[0051] 垂向运动形态中的下潜运动的工作过程如下：

[0052] 通过主舱中的控制机构控制前浮力驱动机构使前滚动膜片的体积不变，通过后浮力驱动机构的驱动使后滚动膜片体积减小，变形潜水器的整体浮力小于重力，变形潜水器呈下潜运动模式；

[0053] 水平运动形态中的水中巡航状态的工作过程如下：

[0054] 通过主舱中的控制机构控制前浮力驱动机构和后浮力驱动机构分别对前滚动膜片和后滚动膜片的体积微整定，使得变形潜水器的整体浮力约等于重力，潜水器呈现悬浮状态，即为巡航模式；

[0055] 水平运动形态中的海底着陆模式的工作过程如下：

[0056] 通过主舱中的控制机构控制前浮力驱动机构和后浮力驱动机构分别对前滚动膜片和后滚动膜片的体积微整定，使得变形潜水器的整体浮力稍稍小于重力，此时潜水器呈现微下沉状态。

[0057] 优选地，将变形潜水器的浮心调整至其重心的正后方的具体过程为：

[0058] 通过主舱中的控制机构控制左变形机构和右变形机构通过左变形旋转机构、右变形旋转机构带动两侧的左旋转支臂和右旋转支臂旋转至与主舱平行，同时也与两侧的左固定支臂和右固定支臂平行，浮力舱位于主舱的正后方而电池舱位于主舱的正前方，浮心位于主舱的正后方，具体在其正后方的距离与浮力舱产生的浮力大小有关；重心位于主舱的正前方，具体在其正下方的距离与电池舱的重力大小有关；此时变形潜水器的工作状态为上浮或下潜观测状态，通过控制浮力舱中前滚动膜片和后滚动膜片整体的体积大小可对变形潜水器的浮力进行调整，从而改变潜水器的上浮或下潜运动的方向、姿态和速度；

[0059] 优选地，将变形潜水器的浮心调整至其重心的正上方的具体过程为：

[0060] 通过主舱中的控制机构控制左变形机构和右变形机构中的左变形旋转机构和右变形旋转机构带动左旋转支臂和右旋转支臂旋转至与左固定支臂和右固定支臂垂直，同时也与主舱垂直，浮力舱位于主舱的正上方而电池舱位于主舱的正下方，浮心位于主舱的正上方，具体在其正上方的距离与浮力舱产生的浮力大小有关；重心位于主舱的正下方，具体在其正下方的距离与电池舱的重力大小有关；此时变形潜水器的工作状态为悬停或坐底观测状态，通过控制浮力舱中前滚动膜片和后滚动膜片整体的体积大小可对变形潜水器的浮力进行调整，从而改变潜水器的悬停、上浮或下潜运动。

[0061] 本发明所带来的有益技术效果：

[0062] 1、本发明提出的一种基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器，在大海域航行时使用浮力驱动以降低能耗，在小面积探测或作业时通过浮力驱动机构进行状态配平，使用高效无轴矢量推进器实现较高的机动性能，同时配合主动式变形机构实现潜水器在水中重心和浮心位置的变换从而适应变形潜水器在水体中和海底的不同运动要求，其本质上不同于传统潜水器固定不变的动力学特性，这为提高潜水器运动性能奠定了基础；

[0063] 2、本发明通过设置不同的浮力舱和电池舱，配合变形机构实现了对浮力舱和电池舱的位置变换，从而实现了对变形潜水器浮心和重心的位置变换，从而可以实现潜水器的垂向运动形态和水平运动形态，解决了当前绝大多数潜水器因外形固定而运动姿态单一、功能单调的弊端；

[0064] 3、本发明通过在浮力舱中设置前后滚动膜片，配合浮力驱动机构实现对浮力舱体积的调整，从而实现变形潜水器的浮力调整，使潜水器在垂向运动形态时具备上浮运动模式和下潜运动模式。

[0065] 4、本发明中的变形潜水器在大尺度海域的上浮或下潜运动模式中，可通过调整浮力舱的体积实现运动速度的控制，免去无轴矢量推进器因工作产生的较高能耗，提高了变形潜水器的工作效率和航行里程，同时使用变形机构将浮力舱和电池舱分别控制驱动至主舱的正后方和正前方，减少了潜水器运动时的水阻，提高了水动力航行效率；

[0066] 5、本发明中的变形潜水器在水平运动时，通过控制浮力舱中浮力的大小，进而实现浮力与重力的持平或浮力稍小于重力，可产生水中悬浮巡航状态和海底着陆状态，同时配合无轴矢量推进器的小幅度推动，即可实现变形潜水器的高效巡航或海底着陆探测作业，工作效率高，能量利用率高；

[0067] 6、本发明通过浮力驱动机构实现对浮力舱体积的微整定调整，从而实现变形潜水器的浮力不平衡微调整功能；当需要潜水器某一姿态工作时，可通过四个浮力驱动机构的驱动行程不同，使变形潜水器提供不平衡浮力进而实现变形潜水器的姿态微整定，为后续无轴矢量推进器的工作提供更优的推进策略，降低了推进器调整的时间，相应的降低了能耗。

附图说明

[0068] 图1为本发明基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器的水平运动形态下水平巡航模式和海底着陆模式结构示意图。

[0069] 图2为本发明基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器的垂向运动形态下上浮运动状态和下潜运动状态结构示意图。

[0070] 图3为本发明基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器的立体结构示意图。

[0071] 图4为本发明基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器的俯视结构示意图。

[0072] 图5为本发明基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器的左视结构示意图。

[0073] 图6为本发明基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器的主视结构示意图。

[0074] 图7为本发明基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器的下潜工作状态下的主视结构示意图。

[0075] 其中，1-主舱；11-主舱体；12-前导流罩；13-后导流罩；14-通讯天线；15-控制机构；16-摄像机构；2-浮力舱；21-前滚动膜片；22-后滚动膜片；23-浮力舱舱体；24-前浮力驱动机构；25-后浮力驱动机构；26-从控制器；3-电池舱；31-电池舱体；32-锂电池；33-导流罩；34-雪橇；4-变形机构；41-左变形机构；42-右变形机构；43-左固定支臂；44-右固定支臂；45-左旋转支臂；46-右旋转支臂；47-左变形旋转机构；48-右变形旋转机构；5-无轴矢量推进器；51-无轴推进器；52-矢量角度驱动机构。

具体实施方式

[0076] 下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

[0077] 实施例1

[0078] 如图3-7所示，一种基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器，包括主舱1、浮力舱2、电池舱3、变形机构4和无轴矢量推进器5。

[0079] 其中，主舱1，包括主舱体11、前导流罩12、后导流罩13、通讯天线14、控制机构15和摄像机构16。

[0080] 所述主舱1共1套，是基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器的核心控制和驱动部分，主要作用是实现对其它子机构或子器件的驱动。其中主舱体11为圆柱形，内部放置有控制机构15和摄像机构16以及其它部件的驱动机构等，主舱体11的前后具有端盖装置，并设置横向和径向O圈进行密封，以适合深海高压环境。所述前导流罩12为减小变形潜水器运动时的水阻力，设计为半纺锤形，安装固定在主舱体11的前端。所述后导流罩13同样为半纺锤形，但是在后导流罩13的中间圆周部分均匀的设置4块导流板，原因是：增强水动力系数，提高变形潜水器运动时的灵活性。所述通讯天线14为棒状，安装在后导流罩13的中后方，主要作变形潜水器出水后与岸站的无线通讯用。所述控制机构15是整套变形潜水器运动时的控制核心部分，不仅控制主舱1中的摄像机构16工作，还可以和浮力舱2中的从控制器25通讯进而控制浮力驱动机构24动作。另外，所述控制机构15也与电池舱3中的锂电池32连接获得电能。最后，所述控制机构15通过和变形机构4中左变形旋转机构47和右变形旋转机构48连接并控制这两机构动作，实现潜水器的变形功能。所述摄像机构16主要用来实现在水下对环境或探测的物体进行拍摄或录像供工作人员或科研人员使用。

[0081] 浮力舱2，包括前滚动膜片21、后滚动膜片22、浮力舱舱体23、前浮力驱动机构24、后浮力驱动机构25和从控制器26。

[0082] 浮力舱2共2套，分为左右两个浮力舱，机械机构完全一致，作用是通过浮力驱动机构24对前滚动膜片21、后滚动膜片22的驱动作用实现浮力舱2体积变化从而整套变形潜水器浮力的改变；同时通过控制前滚动膜片21、后滚动膜片22体积的不同还可以改变变形潜水器的姿态；当变形潜水器需要悬停或坐底观测时，通过在浮力和重力中性状态时微调前滚动膜片21和后滚动膜片22还可实现变形潜水器的浮力微整定，使得状态改变更容易，降低无轴矢量推进器5的功耗。

[0083] 所述前滚动膜片21和后滚动膜片22为半球状结构，原因为：1)减少水阻，提高变形潜水器的运动效率；2)滚动膜片在需承受高压，更容易使用与其配合紧密的半球支撑机构对其支撑和伸缩控制。所述前滚动膜片21和后滚动膜片22的中部外围部分留有部分卷积余地以方便膜片的滚动伸缩；前滚动膜片21和后滚动膜片22的边缘通过密封机构固定在浮力舱舱体23的内壁圆周处，并且在连接处均设置有密封圈以保证前滚动膜片21和后滚动膜片22与浮力舱舱体23内壁的密封效果。前滚动膜片21和后滚动膜片22与浮力舱舱体23内壁的连接结构和方法均相同，只是前滚动膜片21和浮力舱舱体23的前端内壁连接并固定，而后滚动膜片22和浮力舱舱体23的后端内壁连接并固定。所述前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25主要用于分别对前滚动膜片21和后滚动膜片22进行推拉，从而改变浮力舱2的体积进而改变整套变形潜水器的浮力和浮心位置微整定。所述前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25分别有两套，即：前浮力驱动机构24共2套，分别安装固定在左右两个浮力舱2的前端；后浮力驱动机构25也有两套，分别安装固定在左右两个浮力舱2的后端。上述四套浮力驱动机构机械结构完全相同，当前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25驱动前滚动膜片21和后滚动膜片22大幅度运动进而对浮力大幅度调整时，此时是作为浮力驱动机构的驱动作用使用，改变变形潜水器的运动状态，如上浮或下潜；而当前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25驱动前滚动膜片21和后滚动膜片22小幅度运动进而对浮力小幅度调整时，此时是作为浮力微整定功能，将变形潜水器调整至中性或其它需要的状态，从而节省无轴矢量推进器5的能耗。当前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25驱动前滚动膜片21和后滚动膜片22小幅度不均衡或不对称运动进而对浮力小幅度不均衡或不对称调整时，此时变形潜水器可以得到一个预期的工作姿态，实现预期的工作效果。从控制器26是浮力舱2的控制核心和通讯枢纽。主要作用有两个：1)控制和驱动前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25从而控制前滚动膜片21和后滚动膜片22的位置，从而实现对变形潜水器浮力的调整；2)接收来自主舱1中控制机构15的控制指令，并向其发送自身指令执行结果或自身工作状态等信息。

[0084] 电池舱3，包括电池舱体31、锂电池32、导流罩33、雪橇34。

[0085] 所述电池舱3为对称的两套，分为左电池舱和右电池舱，其主要作用是为主舱1、浮力舱2、变形机构4和无轴矢量推进器5提供电能。锂电池32放置在电池舱体31内，导流罩32同样为半圆球形状，可以减小其运动水阻。雪橇34共两套，为撬板结构，分别安装固定在左右两个电池舱的下方。作用是：当变形潜水器坐底观测或者坐底并前进观测时，雪橇34可通过增大与海底的接触面积而避免陷入淤泥。

[0086] 变形机构4，包括左变形机构41、右变形机构42、左固定支臂43、右固定支臂44、左旋转支臂45、右旋转支臂46、左变形旋转机构47、右变形旋转机构48。

[0087] 左变形机构41和右变形机构42结构和功能完全相同，主要作用是分别带动并实现浮力舱2和电池舱3的位置变换，在变换过程中，为保证变形潜水器的左右对称，一般情况下左变形机构41和右变形机构42的转动情况是一致的，当然如果对变形潜水器的姿态有特殊要求，可通过左变形机构41和右变形机构42的运动位置不同而改变浮心和重心的位置关系。所述左固定支臂43和右固定支臂44分别为两套对称机构，呈现水平固定横臂状，分别安装设置在主舱1的两侧，与主舱1平行，主要作用是：连接主舱体与左旋转支臂45、右旋转支臂46、左变形旋转机构47和右变形旋转机构48；同时也是作为无轴矢量推进器5的支撑和固定载体。所述左旋转支臂45和右旋转支臂46同样分别对称安装在主舱体1的两侧，旋转支臂的效果主要是配合左变形旋转机构47和右变形旋转机构48实现相对左固定支臂43和右固定支臂44的转动，从而实现浮力舱2和电池舱3的位置变换。

[0088] 所述左变形旋转机构47和右变形旋转机构48共六套完全对称的机构，左侧三套，右侧三套。①对于左侧的第一套左变形旋转机构47安装固定在左旋转支臂45和浮力舱2中的左侧的浮力舱舱体23之间，作用是实现左侧的浮力舱舱体23与左旋转支臂45之间的相对角度转动。②对于右侧的第一套左变形旋转机构48则安装固定在右旋转支臂46和浮力舱2中的右侧的浮力舱舱体23之间，作用是实现右侧的浮力舱舱体23与右旋转支臂46之间的相对角度转动。③对于左侧的第二套左变形旋转机构47安装固定在左旋转支臂45和左固定支臂43之间，作用是实现左旋转支臂45与左固定支臂43之间的相对角度转动。④对于右侧的第二套左变形旋转机构48安装固定在右旋转支臂46和右固定支臂44之间，作用是实现右旋转支臂46与右固定支臂44之间的相对角度转动。⑤对于左侧的第三套左变形旋转机构47安装固定在左旋转支臂45和电池舱3中左侧的电池舱舱体31之间，作用是实现左侧的浮力舱舱体23与左侧的电池舱舱体31之间的相对角度转动。⑥对于右侧的第三套右变形旋转机构48则安装固定在右旋转支臂46和电池舱3中右侧的电池舱舱体31之间，作用是实现右侧的浮力舱舱体23与右侧的电池舱舱体31之间的相对角度转动。

[0089] 左变形机构41和右变形机构42对浮力舱2和电池舱3的位置变换过程描述如下：

[0090] 当左变形机构41和右变形机构42中的左变形旋转机构47和右变形旋转机构48带动左旋转支臂45和右旋转支臂46旋转至与左固定支臂43和右固定支臂44垂直，同时也与主舱1垂直时，此时浮力舱2位于主舱1的正上方而电池舱3位于主舱1的正下方，且假设浮力舱2中的左右两套前滚动膜片21和后滚动膜片22体积均相同，换言之，所述浮力舱2中的左右两套前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25动作后的位置相同，此时浮力舱2的左右两个浮力舱产生相同且对称的浮力。浮心位于主舱1的正上方，具体在其正上方的距离与浮力舱
2产生的浮力大小有关；重心位于主舱1的正下方，具体在其正下方的距离与电池舱3的重力大小有关。此时变形潜水器的工作状态为悬停或坐底观测状态，通过控制浮力舱2中前滚动膜片21和后滚动膜片22整体的体积大小可对变形潜水器的浮力进行调整，从而改变潜水器的悬停、上浮或下潜运动。

[0091] 当变形机构4中的左变形机构41和右变形机构42通过左变形旋转机构47、右变形旋转机构48带动两侧的左旋转支臂45和右旋转支臂46旋转至与主舱1呈现平行状态时，同时也与所述的两侧的左固定支臂43和右固定支臂44平行。此时，此时浮力舱2位于主舱1的正后方而电池舱3位于主舱1的正前方，且假设浮力舱2中的左右两套前滚动膜片21和后滚动膜片22体积均相同，换言之，所述浮力舱2中的左右两套前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25动作后的位置相同，此时浮力舱2的左右两个浮力舱产生相同且对称的浮力。浮心位于主舱1的正后方，具体在其正后方的距离与浮力舱2产生的浮力大小有关；重心位于主舱1的正前方，具体在其正下方的距离与电池舱3的重力大小有关。此时变形潜水器的工作状态为上浮或下潜观测状态，通过控制浮力舱2中前滚动膜片21和后滚动膜片22整体的体积大小可对变形潜水器的浮力进行调整，从而改变潜水器的上浮或下潜运动的方向、姿态和速度。

[0092] 无轴矢量推进器5，包括无轴推进器51和矢量角度驱动机构52。

[0093] 所述无轴矢量推进器5共两套，分别安装固定在变形机构4中的左固定支臂43和右固定支臂44上，主要作用是通过矢量角度驱动机构52控制无轴推进器51的工作角度，然后通过控制主舱1中的控制机构15驱动无轴推进器51运转从而实现不同角度的推力，实现变形潜水器的全方位运动。所述无轴推进器与矢量角度驱动机构52连接，可通过矢量角度驱动机构52的角度摆动从而带动所述无轴推进器51实现角度的全方位回转。

[0094] 实施例2

[0095] 在上述实施例的基础上，本发明还提到一种基于浮力驱动和无轴矢量推进的高效变形潜水器控制和工作方法，具体过程如下：

[0096] 变形潜水器的工作状态主要有两种：垂向运动形态(Ⅰ)水平运动形态(Ⅱ)，这两种工作工作状态均是通过控制浮力舱2中的滚动膜片体积的大小进而改变浮力舱2的浮力以及配合变形机构4的变形结构对浮力舱2和电池舱3位置的变换从而改变浮心和重心的位置而实现的。

[0097] 其中，垂向运动形态(Ⅰ)又包括：上浮运动(ⅰ)和下潜运动(ⅱ)，其状态是由浮力舱2中的滚动膜片体积大小决定的，浮力舱2最终调整后，若变形潜水器的整体浮力大于重力时，变形潜水器上浮运动；当整体浮力小于重力时，变形潜水器下潜运动。

[0098] 水平运动形态(Ⅱ)又包括：水中巡航状态(ⅲ)和海底着陆模式(ⅳ)，此时浮力舱2的浮力调整的最终效果若是浮力与重力基本持平，此时可通过无轴矢量推进器5的工作进行对变形潜水器进行姿态调整实现续航状态；若浮力舱2的浮力调整的最终效果若是浮力稍小于重力，此时潜水器着陆，并通过雪橇34坐底，然后通过无轴矢量推进器5实现对变形潜水器的姿态或运动状态调整实现观测和作业任务。

[0099] 垂向运动形态(Ⅰ)和水平运动形态(Ⅱ)中总计四种工作模式的调整流程阐述如下：

[0100] 垂向运动形态(Ⅰ)中的上浮运动(ⅰ)：

[0101] 1)主舱1中的控制机构15控制左右对称结构中的前浮力驱动机构24使得前滚动膜片21体积不变，但通过后浮力驱动机构25驱动后滚动膜片22体积增大，同时变形潜水器的整体浮力大于重力，此时潜水器呈现上浮运动模式；其上浮运动过程中的速度与后浮力驱动机构25驱动后滚动膜片22体积增大的程度相关，体积越大，产生的浮力越大，变形潜水器上浮的速度越快。

[0102] 2)为减小上浮运动中的水阻，此时主舱1中的控制机构15控制变形机构4中的左变形机构41和右变形机构42实现电池舱3和浮力舱2的位置变换，最终效果为：浮力舱2位于主舱1的正后方而电池舱3位于主舱1的正前方，此时浮力舱2、电池舱3、变形机构4以及无轴矢量推进器5受到的水阻最小，变形潜水器的工作效率最高，且如果没有太高上浮速度要求，无需启动无轴矢量推进器5以节省能耗。

[0103] 垂向运动形态(Ⅰ)中的下潜运动(ⅱ)：

[0104] 1)主舱1中的控制机构15控制左右对称结构中的前浮力驱动机构24使得前滚动膜片21体积不变，但通过后浮力驱动机构25驱动后滚动膜片22体积减小，同时变形潜水器的整体浮力小于重力，此时潜水器呈现下潜运动模式；其下潜运动过程中的越小越大，产生的浮力越小，变形潜水器下潜的速度越快。

[0105] 2)为减小上浮运动中的水阻，类似的，主舱1中的控制机构15控制变形机构4中的左变形机构41和右变形机构42实现电池舱3和浮力舱2的位置变换，最终效果为：浮力舱2位于主舱1的正后方而电池舱3位于主舱1的正前方，此时浮力舱2、电池舱3、变形机构4以及无轴矢量推进器5受到的水阻最小，变形潜水器的工作效率最高，且如果没有太高下潜速度要求，无需启动无轴矢量推进器5以节省能耗。

[0106] 水平运动形态(Ⅱ)中的水中巡航状态(ⅲ)：

[0107] 1)主舱1中的控制机构15控制左右对称结构中的前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25分别对前滚动膜片21和后滚动膜片22的体积微整定，使得变形潜水器的整体浮力约等于重力，此时潜水器呈现悬浮状态，即为巡航模式。此时通过控制机构15控制无轴矢量推进器5对变形潜水器的姿态或运动状态进行微调，既容易改变潜水器的工作姿态或运动状态，节省整定时间，又节省因推进器消耗的能量，提高变形潜水器工作的长航程和长航时性。当然，上述通过无轴矢量推进器5实现状态改变的过程也可再次通过主舱1中的控制机构15控制左右对称结构中的前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25分别对前滚动膜片21和后滚动膜片22的体积微整定，将变形潜水器的整体浮力与重力的平衡打破，此时潜水器会进入下一个期望的状态。

[0108] 2)在该过程中，为了保证变形潜水器的工作稳定性，此时需要将潜水器的浮心调整至重心的正上方。具体过程为：主舱1中的控制机构15控制左变形机构41和右变形机构42中的左变形旋转机构47和右变形旋转机构48带动左旋转支臂45和右旋转支臂46旋转至与左固定支臂43和右固定支臂44垂直，此时浮力舱2位于主舱1的正上方而电池舱3位于主舱1的正下方；此时浮心位于主舱1的正上方，具体在其正上方的距离与浮力舱2产生的浮力大小有关；重心位于主舱1的正下方，具体在其正下方的距离与电池舱3的重力大小有关。

[0109] 水平运动形态(Ⅱ)中的海底着陆模式(ⅳ)：

[0110] 1)主舱1中的控制机构15控制左右对称结构中的前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25分别对前滚动膜片21和后滚动膜片22的体积微整定，使得变形潜水器的整体浮力稍稍小于重力，此时潜水器呈现微下沉状态，当潜水器下沉至海底时，变成为着陆工作模式。此时通过控制机构15控制无轴矢量推进器5对变形潜水器的姿态或运动状态进行微调实现观测或作业任务，既容易改变潜水器的工作姿态或运动状态，节省整定时间，又节省因推进器消耗的能量，提高变形潜水器工作的长航程和长航时性。当然，上述通过无轴矢量推进器
5实现状态改变的过程也可再次通过主舱1中的控制机构15控制左右对称结构中的前浮力驱动机构24和后浮力驱动机构25分别对前滚动膜片21和后滚动膜片22的体积微整定，将变形潜水器的整体浮力与重力的平衡打破，此时潜水器会进入下一个期望的状态。

[0111] 2)在该过程中，为了保证变形潜水器工作的稳定性，此时需要将潜水器的浮心调整至重心的正上方。具体过程为：主舱1中的控制机构15控制左变形机构41和右变形机构42中的左变形旋转机构47和右变形旋转机构48带动左旋转支臂45和右旋转支臂46旋转至与左固定支臂43和右固定支臂44垂直，此时浮力舱2位于主舱1的正上方而电池舱3位于主舱1的正下方；此时浮心位于主舱1的正上方，具体在其正上方的距离与浮力舱2产生的浮力大小有关；重心位于主舱1的正下方，具体在其正下方的距离与电池舱3的重力大小有关。

[0112] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。